Avaliação do consumo de energia
em etapas iniciais do projeto:
um estudo associando interfaces físicas e digitais
como elemento qualificador do processo projetual
Virgínia Czarnobay Vannini
Avaliação do consumo de energia
em etapas iniciais do projeto:
um estudo associando interfaces físicas e digitais
como elemento qualificador do processo projetual
Virgínia Czarnobay Vannini
autora
Tese de doutoramento apresentada ao Programa de Pesquisa e Pós-graduação em Arquitetura da Universidade Federal do Rio Grande do Sul como requisito para a obtenção do grau de Doutor em Arquitetura.
Prof. Dr. Benamy Turkienicz
orientador
Ao meu pai, arquiteto Ronaldo Severino Vannini, por mostrar a técnica e a beleza que envolve a Arquitetura; a minha mãe, Nadiérge Czarnobay Vannini, pelos ensinamentos e valores; ao meu marido, Thiago Zanini pela paciência e amor incondicional e a minha filha Helena por mostrar o verdadeiro sentido da vida.
Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Benamy Turkienicz, pelo empenho, ensinamentos dedicados ao longo desses anos de pesquisa e busca pelo conhecimento científico; e pela oportunidade de aprendizado e crescimento acadêmico e profissional.
A toda minha família, em especial aos meus pais, Nadiérge e Ronaldo Vannini pelo incentivo incondicional a mim dedicado durante a realização deste trabalho; e ao meu marido Thiago Zanini pelo amor e companheirismo, sem eles eu nada seria.
Ao professor Paulo Beyer, pela orientação com o software EnergyPlus e pelas contribuições em discussões a respeito do consumo energético e condicionamento do ar.
A todos os bolsistas de iniciação científica do SIMMLAB – Laboratório para Simulação e Modelagem em Arquitetura e Urbanismo – e em especial, ao Matheus Cipolatt, pelo auxílio e empenho com as atividades computacionais.
À minha amiga, arquiteta e professora Dra. Alessandra Teribele, pelo apoio e valiosas discussões a respeito do conhecimento científico.
À Claudia e Beatriz Czarnobay pelo carinho com que me acolheram em vossa casa, sempre contribuindo com palavras de motivação e amor.
À engenheira civil Vanessa Pasinatto pela recepção calorosa em Porto Alegre e pelo afeto e companheirismo ao longo dos últimos semestres do doutorado.
Aos colegas da pós-graduação, colaboradores e membros do SIMMLAB pela troca de experiências e conhecimento ao longo dos últimos anos de doutorado.
A todos os alunos da graduação da UFRGS, que contribuíram com a pesquisa, dispondo de tempo e dedicação, durante os exercícios práticos, propostos na fase experimental da pesquisa.
Modelos físicos possibilitam a manipulação rápida e intuitiva da forma na fase de concepção e exploração do envoltório edificado. Por outro lado, modelos digitais de desempenho oferecem resultados quantitativos que podem contribuir com a tomada de decisões durante a exploração empírica da forma. O diálogo entre ferramentas computacionais e atividades de projeto – desenhar, executar modelos físicos, analisar e testar – envolvem escolhas, por exemplo, quanto à eficiência energética, que podem ser auxiliadas por ferramentas de aprendizagem que explorem a interação entre modelos físicos e digitais. Este trabalho associa a manipulação da forma ao conhecimento sobre seu desempenho energético usando, simultaneamente, dois modelos, físico e digital. O modelo físico apoia a manipulação da composição volumétrica e da fenestração, enquanto o modelo digital permite avaliar o impacto ambiental das escolhas através da simulação do consumo energético. Para capturar a posição dos elementos físicos que compõem o envoltório, o modelo físico utilizou uma câmera e marcadores para capturar a translação e rotação destes elementos. A alteração das dimensões das fenestrações foi controlada, em meio físico, por meio de potenciômetros que gerenciaram a proporção dos planos translúcidos das fachadas com auxílio da plataforma Arduino. O modelo físico conectou-se ao modelo digital através das ferramentas computacionais Rhinoceros e Grasshopper, com auxílio do plug-in Firefly e da plataforma ReactVision. O modelo digital simulou o desempenho energético utilizando o software EnergyPlus e os plug-ins do Grasshopper, Ladybug e
Honeybee. Como prova de conceito, foi concebido um exercício de exploração da
forma, tendo como parâmetro a minimização do consumo de energia para aquecimento e refrigeração do ambiente interno de uma edificação de uso comercial composta por dois prismas regulares. O experimento, que contou com a participação de alunos de graduação de curso de arquitetura e urbanismo, mensurou transformações geométricas, quantidade e desempenho das soluções geradas vis a vis tempo de manipulação (trinta minutos). Relacionando as ações projetuais dos estudantes aos resultados de desempenho da forma, observou-se redução do consumo de energia. Foi possível concluir que o uso do modelo físico associado ao modelo digital pode aumentar a segurança do estudante ao escolher alternativas de projeto ao tomar decisões sobre o desempenho energético de edificações, assim como, pode aumentar a fixação de conteúdos que relacionam forma arquitetônica e desempenho ambiental durante processos de ensino e aprendizagem.
Palavras-chave: desempenho, etapas inicias de projeto, aprendizagem, processo
Physical models allow quick and intuitive shape’s manipulation during design and exploration phases of the building’s envelope. On the other hand, digital performance models offer quantitative results, which may contribute to decision making throughout empirical exploration of the shape. The dialogue between computational tools and design activities – drawing, run physical models, analyzing and testing – involves choices, for example, regarding energy efficiency, that be able to aided by learning tools who exploring the interaction between physical and digital models. This work associates shape exploration with the knowledge about the project’s energy performance, apply simultaneously, two models, physical and digital. The physical model supports fenestration and shape composition manipulation, while the digital model allows evaluate the environmental impact of choices through energy consumption simulation. To capture the position of physical elements that make up the building envelope, the physical model used a camera and markers to capture the translation and rotation position of these elements. The manipulation of fenestration dimensions was controlled, in physical media, by means of potentiometers that managed the proportion of façade translucent planes, with support from Arduino platform. The physical model connected to the digital model by means of computational tools: Rhinoceros and Grasshopper, with support from Firefly plug-in and the ReactVision platform. The digital model simulated the energy performance using the software EnergyPlus and the Grasshopper plug-ins: Ladybug and
Honeybee. As proof of concept, a shape exploration exercise was designed, with as
a parameter the energy consumption minimization to heating and cooling the internal environment of a commercial building, composed of two regular prisms. The experiment, that had the undergraduate architecture and urbanism students’ participation, measured geometric transformations, quantity and the performance of generated solutions in relation to manipulation time (thirty minutes). Relating the students’ activities and shape performance results, reduction of energy consumption was observed. It was possible to conclude that using physical models associated with digital models can increase the student reliability when choosing project alternatives, during the building energy performance decision making, as well as, may increase the ability to fix contents that relate architectural shape and environmental performance, during learning and teaching processes.
Figura 2 Estrutura do processo de projeto descrito por Lawson. ... 30
Figura 3 Conjunto de questões abordadas na concepção das aberturas. ... 33
Figura 4 Estrutura proposta para um IDeA – Intelligent Design Assistant. ... 39
Figura 5 Gráfico relacionando as decisões de projeto às fases do processo projetual e simulação. ... 42
Figura 6 Processo de interação humano-computador ... 48
Figura 7 Exemplo das representações gráficas e geométricas que o Ladybug apresenta para diferentes tipos de análise. ... 54
Figura 8 Diagrama da estrutura do programa EnergyPlus ... 59
Figura 9 Esquema gráfico dos parâmetros considerados no (1) balanço de energia das superfícies externas e (2) balanço de energia das superfícies internas. ... 60
Figura 10 Estrutura do protótipo de ambiente simplificado de aprendizagem (PASA) ... 63
Figura 11 Elementos que compõem o modelo físico ... 64
Figura 12 Modelo físico ... 65
Figura 13 Exemplo de marcadores – Fiducial Marker ... 65
Figura 14 Base de delimitação do ambiente físico ... 66
Figura 15 Transformações geométricas propostas para o modelo físico ... 67
Figura 16 Plataforma arduino e potenciômetros ... 68
Figura 17 Estrutura do modelo digital ... 70
Figura 18 Diagrama do fluxo das ferramentas computacionais que realizam a associação entre modelo físico e digital ... 71
Figura 19 Monitores utilizados para representação digital ... 72
Figura 20 Registro do uso do PASA ... 73
Figura 21 Representação do monitor 1 ... 77
Figura 22 Representação do monitor 2 ... 78
Figura 23 Gift4 ... 85
Figura 24 Exemplo de tipologias comerciais encontradas em Porto Alegre/RS ... 86
Figura 25 Peças propostas para o exercício projetual ... 87
Figura 26 Perspectivas sudoeste e nordeste da volumetria adotada como forma inicial do exercício projetual proposto ... 92
Figura 28 Exemplo de gráfico correlacionando consumo de energia e porcentagem adotada para as fenestrações ... 100 Figura 29 Exemplo gráfico correlacionando consumo de energia e tempo entre cada simulação ... 101 Figura 30 Exemplo de Gráfico com Curvas de Tendência, representando a sequência das soluções de projeto em relação ao consumo de energia ... 102 Figura 31 Exemplo de gráfico com a sequência das ações de projeto e os resultados gráficos e numéricos decorrentes dos procedimentos adotados ... 105 Figura 32 Gráfico mostrando o percurso gerado por cada participante de acordo com o consumo de energia e quantitade total de soluções simuladas ... 109 Figura 33 Gráfico mostrando o período em que as soluções com menor consumo de energia foram simuladas ... 110 Figura 34 Gráfico mostrando as soluções geométricas com menor consumo de energia encontradas por participante e linha representando a média ... 111 Figura 35 Soluções geométricas simuladas pela amostra durante exercício projetual ... 112 Figura 36 Gráfico mostrando a relação entre as soluções selecionadas pelos participantes e as soluções mais eficiente encontrada durante seu processo projetual ... 114 Figura 37 Gráfico mostrando o percurso gerado pelos seis participantes com menor número de soluções aferidas. ... 117 Figura 38 Gráfico mostrando o período em que as soluções com menor consumo de energia foram simuladas ao longo do processo de projeto ... 119 Figura 39 Gráfico mostrando o percurso gerado pelos três participantes com os resultados mais expressivos de minimização do consumo de energia ... 120 Figura 40 Geometria com desempenho mais eficiente, proposta pelos participantes ‘I’ e ‘T’ ... 121 Figura 41 Gráfico correlacionando consumo de energia (MWh) e tempo (minutos) entre cada simulação do participante ‘I’ ... 122 Figura 42 Gráfico correlacionando consumo de energia (MWh) e tempo (minutos) entre cada simulação do participante ‘T’ ... 122
Figura 44 Mapeamento das transformações geométricas e resultados de desempenho e geometria obtidos em sequência cronológica pelo participante ‘I’ .. 128 Figura 45 Mapeamento das transformações geométricas e resultados de desempenho e geometria obtidos em sequência cronológica pelo participante ‘T’ . 130 Figura 46 Histograma correlacionando consumo de energia e porcentagem das fenestrações adotada pelo participante ‘I’ ... 133 Figura 47 Histograma correlacionando consumo de energia e porcentagem das fenestrações adotada pelo participante ‘T’ ... 135 Figura 48 Gráfico com Curvas de Tendência do participante “F” ... 152 Figura 49 Gráfico mostrando a relação entre as soluções selecionadas pelos participantes e as soluções mais eficiente econtrada durante seu processo projetual ... 153 Figura 50 Exemplo de croquis elaborados durante o experimento ... 154 Figura 51 Gráfico correlacionando consumo de energia e tempo entre cada simulação do Participante ‘A’ ... 155 Figura 52 Gráfico correlacionando consumo de energia e tempo entre cada simulação do Participante ‘B’ ... 156 Figura 53 Registro do uso do PASA ... 158
Tabela 1 Modelo de tabulação dos dados do exercício ... 98 Tabela 2 Lista de variáveis com a representação gráfica em ícones para a estruturação do Mapa de Procedimentos ... 104 Tabela 3 Exemplo de um Mapa de Procedimento ... 105 Tabela 4 Tabela com a quantidade total de soluções aferidas e resultado da simulação com menor consumo de energia obtido por participante ... 115 Tabela 5 Mapeamento das transformações geométricas e resultados de desempenho obtidos em sequência cronológica pelo participante ‘I’ e ‘T’ ... 127 Tabela 6 Tabela com a sequência de manipulações da forma, proporção das aberturas e resultados de desempenho dos participante ‘I’, ‘T’, ‘S’, ‘Q’, ‘R’ e ‘E’ .... 132 Tabela 7 Tabela com a sequência de manipulações da forma, proporção das aberturas, tempo e resultados de desempenho do participante ‘I’ ... 134 Tabela 8 Tabela com a sequência de manipulações da forma, proporção das aberturas, tempo e resultados de desempenho do Participante ‘T’ ... 136 Tabela 9 Tabela com a sequência de manipulações da forma, proporção das aberturas, tempo e resultados de desempenho do Participante ‘U’ ... 137 Tabela 10 Tabela com as dez soluções que apresentaram menor consumo de energia entre o total de simulações realizadas ao longo do experimento pelos vinte e um graduandos ... 139 Tabela 11 Tabela com soluções que apresentaram a mesma proporção de planos translúcidos e configurações geométricas distintas ... 140 Tabela 12 Tabela com soluções que apresentaram a mesma proporção de planos translúcidos e configurações geométricas distintas ... 141 Tabela 13 Tabela com soluções que apresentaram volumetrias iguais e alteram apenas a proporção do plano translúcido Norte ... 142 Tabela 14 Tabela com soluções que apresentaram volumetrias iguais e alteram apenas a proporção do plano translúcido Sul ... 142 Tabela 15 Tabela com soluções que apresentaram volumetrias iguais e alteram apenas a proporção do plano translúcido Leste ... 143 Tabela 16 Tabela com soluções que apresentaram volumetrias iguais e alteram apenas a proporção do plano translúcido Oeste ... 143
Tabela 18 Tabela com soluções que apresentaram mesma volumetria e alteram a proporção do plano translúcido Norte e Oeste ... 145 Tabela 19 Tabela correlacionando os dados do questionário inicial e solução minimizada individualmente pela amostra ... 147 Tabela 20 Porcentagens resultantes do questionário inicial do experimento ... 148 Tabela 21 Porcentagens resultantes do questionário final do experimento ... 149 Tabela 22 Tabela com a sequência de manipulações da forma, proporção das aberturas, tempo e resultados de desempenho do Participante ‘I’ ... 157
CAAD – computer-aided architectural design /projeto arquitetônico assistido por
computador
CAD – computer-aided design/ desenho assistido por computador
CDP – collaborative design platform ou plataforma colaborativa de design CE – consumo de energia para aquecimento e refrigeração
CERL – U.S. construction engineering research lab /laboratório de pesquisa em
engenharia de construção do exército dos Estados Unidos
DOE – United States Department of Energy/ Departamento de Energia dos Estados
Unidos
EIP – etapas iniciais de projeto
ESDA – exploratory sequential data analysis/ análise exploratória sequencial de
dados
HVAC – heating, ventilation and air conditioning/ aquecimento, ventilação e ar
condicionado
IDF – input data file/
IHC – interação humano-computador kWh – quilowatt-hora
LBNL – Lawrence Berkeley national laboratory/ laboratório nacional Lawrence
Berkeley da Universidade da Califórnia
MWh – megawatt-hora
PASA – protótipo de ambiente simplificado de aprendizagem
SIMMLAB – laboratório para simulação e modelagem em arquitetura e urbanismo da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
TCLE – Termo de Consentimento Livre Esclarecido UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul
INTRODUÇÃO ... 17
1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 28
1.1 Processo de Projeto ... 28
1.1.1 Projeto Auxiliado por Modelos Físicos ... 34
1.1.2 Projeto Auxiliado por Computador ... 37
1.1.3 Projeto Baseado em Desempenho ... 40
1.1.4 Envoltório e Desempenho da Forma Edificada ... 44
1.2 Interação Humano- Computador ... 47
1.2.1 Interfaces ... 49
1.2.1.1 Interfaces Tangíveis ... 51
1.2.2 Ferramentas Computacionais em EIP ... 52
1.2.2.1 Rhinoceros 3D como ferramenta de modelagem ... 53
1.2.2.2 Ferramentas de auxílio à simulação energética ... 56
1.2.2.3 EnergyPlus como ferramenta de simulação ... 58
2 MATERIAIS E MÉTODO ... 62 2.1 Metodologia ... 62 2.1.1 Modelo físico ... 64 2.1.2 Modelo digital ... 70 2.2 Experimento ... 79 2.2.1 Método quantitativo ... 80 2.2.2 Método qualitativo ... 82 2.3 Preparação do Experimento ... 82 2.3.1 Objetivo da avaliação ... 83 2.3.2 Tarefa ... 83 2.3.3 Amostra ... 84 2.3.4 Material ... 85 2.3.5 Protocolo de avaliação ... 87 2.3.6 Questionário ... 94 2.3.7 Teste Piloto ... 95 2.3.8 Coleta de Dados ... 97
3.1.2 Quantidade de Soluções ... 115
3.1.3. Tempo ... 118
3.1.4 Ações de projeto ... 125
3.1.5 Desempenho x manipulação da forma ... 126
3.1.6 Desempenho x proporção de aberturas ... 131
3.1.7 Fatores que impactam na minimização do consumo de energia ... 138
3.2 Análise Qualitativa ... 146
3.2.1 Características da amostra ... 146
3.2.2 Identificação dos fatores que impactam o uso da ferramenta ... 151
3.2.3 Tempo ... 151
3.2.4 Gabarito ... 151
3.2.5 Particularidades da amostra ... 152
3.2.6 Consideração de outros aspectos arquitetônicos ... 153
CONCLUSÕES ... 159
REFERÊNCIAS ... 164
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO INICIAL APLICADO AOS PARTICIPANTES DO EXPERIMENTO ... 176
APÊNDICE B – GABARITO FORNECIDO PARA AOS PARTICIPANTES DO EXERCÍCIO ... 177
APÊNDICE C – QUESTIONÁRIO FINAL APLICADO AOS PARTICIPANTES DO EXPERIMENTO ... 181
APÊNDICE D – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE ESCLARECIDO ... 182
APÊNDICE E – JUSTIFICATIVA PARA A ESCOLHA DE SOLUÇÃO EM POTENCIAL PARA PARTIDO ARQUITETÔNICO ... 184
APÊNDICE F – TABULAÇÃO DOS DADOS GERAIS DA AMOSTRA ... 187
Participante A ... 188 Participante B ... 191 Participante C ... 194 Participante D ... 197 Participante E ... 200 Participante F ... 203 Participante G ... 206
Participante J ... 215 Participante K ... 218 Participante L ... 221 Participante M ... 224 Participante N ... 227 Participante O ... 229 Participante P ... 232 Participante Q ... 235 Participante R ... 238 Participante S ... 241 Participante T ... 244 Participante U ... 247
APÊNDICE G – MAPEAMENTO DAS AÇÕES DE PROJETO ... 250
APÊNDICE H – RELAÇÃO TOTAL DE SIMULAÇÕES REALIZADAS PELA AMOSTRA DURANTE EXERCÍCIO DE PROJETO ... 257
APÊNDICE I – SIMULAÇÕES REALIZADAS INDIVIDUALMENTE PELOS PARTICIPANTES ... 260
INTRODUÇÃO
O processo projetual envolve fatores contextuais, como: clima, topografia, sociedade, legislação, cultura, além de abranger aspectos como materiais, técnicas construtivas, performance ambiental, desempenho energético, sustentabilidade e responsabilidade econômica. Considerando a complexidade do processo de projeto, é difícil encontrar uma solução otimizada para todos seus fatores, simultaneamente. Compreendido como um processo de solução de problemas e orientado por uma sequência de metas determinadas por um sistema operativo, (MITCHELL, 1975) a sistematização do processo de projeto envolve desenhar, inspecionar e revisar, criando uma sequência de interações entre a mente do arquiteto e a representação da proposta elaborada.
Problemas de arquitetura são geralmente do tipo aninhados, ou seja, possuem vários níveis de soluções parciais, com complexidade de soluções não aparentes, levando à formulação de outros problemas. Tais problemas podem também ser caracterizados como mal definidos – wicked problems – em que parte da especificação do problema é desconhecida (LAWSON, 2005), permitindo mais do que uma possibilidade de resolução satisfatória. Ao tentar encontrar suas soluções, o arquiteto estabelece um processo de geração de possibilidades, avaliando qualidades e limitações de alternativas. (RITTEL; REUTER, 1992). O processo de projeto, em suas fases iniciais, pondera diferentes alternativas e combinações de parâmetros, priorizando alguns em detrimento de outros, estabelecendo um exercício de análise do tipo multicritério. Frequentemente, as decisões adotadas em fases iniciais de projeto são baseadas na experiência e no uso de “regras de boa conduta”. Um exemplo típico de regra de boa conduta no hemisfério sul é o posicionamento das fachadas e áreas de abertura, minimizando as superfícies expostas à orientação solar oeste. Essa regra visa contribuir com o conforto térmico, reduzindo a necessidade de resfriamento artificial da edificação em períodos quentes. No entanto, nem sempre as decisões adotadas desta maneira, resultam em soluções eficientes. (CELANI, 2012).
Para Mitchell (1975) o uso do CAAD pode exercer, exclusivamente, a função de representação, ou pode contribuir para a avaliação das alternativas de projeto e
soluções de problemas mal definidos. Se o computador puder se converter em ferramenta de auxílio à avaliação de problemas mal definidos (LAWSON, 2005), diferentes incertezas inerentes ao processo de projetação podem ser dirimidas através da avaliação de alternativas (muitas vezes geradas automaticamente) desde as fases iniciais do processo de projeto.
Dentre as incertezas e dificuldades que o arquiteto depara-se nas fases iniciais de projeto, encontra-se a definição das características morfológicas do envoltório da edificação. O envoltório realiza a separação física entre o interior e exterior do edifício (STAIB; DÖRRHÖFER; ROSENTHAL,2008), auxiliando no controle da temperatura interna e desempenhando função similar à que a pele exerce sobre o corpo humano, estabelecendo trocas de temperatura (FROTA; SCHIFFER, 2003) e atuando na proteção e relação com o meio. Sabidamente, os elementos que compõem o envoltório – planos de fachada, cobertura, revestimentos, aberturas – afetam diretamente no desempenho energético da edificação.
A forma do envelope que é definida nas primeiras fases do processo de projeto sofre pequenas alterações até suas últimas etapas. (GRANADEIRO, et al., 2013). Ao esboçar o envoltório – desenhando planos opacos e translúcidos, delimitando a forma e percentuais de aberturas, criando elementos de sombreamento e indicando os materiais empregados – o arquiteto trata de aspectos quantitativos e qualitativos, que influenciam o desempenho da edificação. Intervenções nas fases iniciais de projeto, especialmente sobre o envoltório, são determinantes para a redução de custos futuros com alterações de projeto, construção e funcionamento. O custo das alterações do projeto aumenta, exponencialmente, conforme avança o processo projetual, fundamentando a importância que o auxílio de análises e simulações computacionais podem desempenhar em etapas iniciais de projeto (EIP). (RITTER, et al., 2014).
Em etapas finais do processo de projeto, a forma do envoltório já está vinculada às funcionalidades e tecnologias do edifício, tornando as alterações de projeto mais onerosas e difíceis. A curva proposta por Patrick MacLeamy (2004) na Figura 1 demonstra, através das linhas 1 e 2, a relação entre o esforço de concepção e tempo despendido, comprovando que alterações em fases tardias oneram o custo de projeto. A linha 3 indica como o esforço de projeto é
tradicionalmente distribuído, enquanto a linha 4 propõe uma nova distribuição do esforço de projeto em relação as etapas projetuais.
Figura 1 Curva proposta por MacLeamy (2004)
Fonte: American Institute of Architects (2007) apud Manzione (2013).
Para Attia et al. (2011) a avaliação do desempenho energético é realizada tardiamente no processo de projeto. Tradicionalmente, arquitetos e engenheiros utilizam a simulações como ferramenta para dimensionamento de equipamentos ou para relatar graus de eficiência energética, ergonômica, ambiental depois que o projeto e edifício foram finalizados. Para que a avaliação do desempenho seja inserida em EIP, auxiliando os profissionais a criar soluções de design mais eficientes, torna-se necessário desenvolver métodos de projeto, úteis e economicamente viáveis. (JABI, 2015).
Tentativas de inserção de procedimentos de avaliação da forma arquitetônica em EIP não são recentes. Maver (1988), ao publicar “Software Tools for the
Technical Evaluation of Design Alternatives” postulou a relevância do
desenvolvimento de ferramentas que propiciassem a exploração ativa de alternativas e comparação de resultados nas fases conceituais, como meio de auxílio à tomada de decisões. A inclusão dos procedimentos de análise nas etapas iniciais do projeto tem sido um constante desafio para o desenvolvimento de ambientes computacionais e metodologias de projeto. Kolarevic e Malkawi (2005) em “Performative Architecture Beyond Instrumentality” relatam a abundância de modelos analíticos que poderiam contribuir para a avaliação do projeto nas suas etapas iniciais, mas que, transformados em ferramentas digitais são, na maioria, adequados somente para avaliações em etapas finais.
Dentre os principais problemas enfrentados pelo arquiteto para avaliar computacionalmente o envoltório nas fases iniciais de projeto, destaca-se o tempo demandado para modelar e simular soluções arquitetônicas. (GRANADEIRO, et al., 2013). Celani (2012) lembra que a dificuldade em implementar modelos integrados de informação deve-se ao custo elevado, exigindo treinamento especializado para uso das ferramentas e grande poder de processamento computacional, inviabilizando o acesso para grande parte dos profissionais. A indústria de TI tenta oferecer recursos para avaliar edifícios em etapas de concepção do projeto, através de softwares e aplicativos de análise simplificada como Autodesk Ecotect Analysis®1
,
Vasari®
e EnergyPlus®
. A análise simplificada pode ser realizada por processamento em nuvem, softwares gratuitos e, muitas vezes, ferramentas intuitivas, aliviando os requisitos de hardware e viabilizando a utilização por um grupo maior de usuários. (CELANI, 2012). Recentemente, estudos explorando o potencial associativo das ferramentas Grasshopper e EnergyPlus foram publicados por: Negendahl (2015), Mackey, Roudsari e Subramaniam (2015), Konis, Gamas e Kensek (2016), Roudsari e Subramaniam (2016), Braasch (2016), Fang (2017) Mackey et al. (2017a), Salamone et al. (2017), Mackey et al. (2017b), Mackey e Roudsari (2017) e Strunge e Radgivende (2017). Não obstante esta oferta, ambientes de simulação como são ainda prevalentemente utilizados em etapas avançadas do projeto, constituem indicador de dificuldades para uso em EIP.
1
O software Ecotect Analysis foi descontinuado em 2015 pela Autodesk, sendo que suas funcionalidades foram integradas à família de produtos Revit. Deste modo, o software Ecotect não recebeu mais atualizações e apenas versões anteriores a 2015 estão em uso.
Granadeiro et al. (2013) sugeriram que os arquitetos devam trabalhar com novos protocolos de design em EIP, integrando criatividade e os requisitos de simulação de desempenho da construção, dado o consumo de aquecimento e refrigeração. Postulam que variáveis como iluminação artificial, equipamentos e ganho de calor interno por ocupante, devam ser inicialmente desconsideradas assim como a compartimentação interna e, consequentemente, a diferenciação de zonas térmicas e aferição do desempenho lumínico.
Com o desenvolvimento da modelagem e simulação digital, o processo criativo tem desafiado o campo da interface humano-computador em busca de um melhor diálogo entre as ferramentas computacionais e atividades de projeto (desenhar, analisar, descobrir, testar, revisar e discutir) que, nas fases iniciais, são expressas por esboços, croquis e maquetes físicas. (BUENO; TURKIENICZ, 2014). Ao mesmo tempo que a representação por meio de esboços gráficos estimula a imaginação e auxilia na produção de novas ideias. (FLORIO; TAGLIARI, 2008) modelos digitais oferecem avaliações precisas e representações que, sem o auxílio de ambientes computacionais, tornariam o processo de projeto lento, oneroso e, muitas vezes, inviável. Modelos computacionais se limitam a visualização bidimensional da superfície digital, mas propiciam vantagens em relação aos modelos físicos quando são necessários dados numéricos, precisão e rapidez. Por outro lado, modelos físicos proporcionam ao usuário uma compreensão intuitiva da geometria e das relações físicas complexas que são difíceis e, muitas vezes, impossíveis de descrever em pixels na tela plana de um computador. (ISHII, et al., 2004).
A maquete física tem, historicamente, exercido papel importante como representação do objeto em que o objeto de estudo pode ser contemplado de diversos ângulos. (KOWALTOWSKI, et al., 2006). Habilidades físicas, agarrar, tatear e manipular materiais podem auxiliar o arquiteto no ato projetual, permitindo o aprofundamento do processo de conhecimento e aumentando o potencial de colaboração entre arquitetos e especialistas. (ISHII, et al., 2004). A forma física possibilita a manipulação rápida do modelo, oferecendo dinamismo, especialmente na fase de concepção, quando o processo de projeto é colaborativo (ISHII, et al., 2004), podendo envolver vários profissionais e disciplinas. A utilização de modelos físicos pode contribuir para a mensuração do desempenho e constituir método
confiável, quando os modelos físicos são confeccionados com precisão dimensional. (PEREIRA; PEREIRA; CASTAÑO, 2012).
A associação de modelos físicos e digitais durante o processo de criação foi avaliada por Kim e Maher (2008), Isa (2014), Jabi (2014), Ritter et al. (2014) e Rose (2015). Kim e Maher (2008) confrontaram o uso de modelos tangíveis e gráficos, através de experimentos, demonstrando que a compreensão das relações espaciais em modelos virtuais é aprimorada com a utilização, em conjunto, com elementos físicos em escala reduzida ou real. Ao descrever a associação de modelos físicos e digitais, Isa (2014), apresenta uma classificação para os modelos físicos (soft, hard,
presentation e prototype), descrevendo o potencial e restrição de cada modelo em
relação às etapas projetuais. Isa (op. cit.) demonstra que os modelos físicos e protótipos são indispensáveis para a prática projetual e postula que o uso extensivo destes recursos pode ter influência sobre como os profissionais de arquitetura gerenciam seus processos de projeto. Até o momento, escassas publicações abordam a relação desses ambientes digitais associados a modelos físicos de manipulação durante o processo de tomada de decisões em estágios iniciais de projeto. A associação de ferramentas desse tipo com modelos físicos de manipulação, em processos de aprendizagem e tomada de decisão para minimização do consumo de energia ainda é pouco explorada.
O método proposto por Ritter et al. (2014) associa modelos físicos e digitais como ferramenta de auxílio a tomada de decisões em projeto (design decision
support – DDS), resultando em uma plataforma colaborativa de design (CDP),
composta por uma ferramenta de simulação paramétrica e elementos em escala reduzida. Ao invés de utilizar modelos físicos, a abordagem combina modelos reais e digitais de simulação, expandindo as possibilidades de concepção e integrando a avaliação ao fluxo criativo de trabalho. A plataforma colaborativa consiste em uma mesa multi-touch2 com scanner integrado a objetos tridimensionais em escala 1:500. A metodologia foi testada em projeto de edifício comercial em que o arquiteto manipulou a forma física e realizou simulações de desempenho energético utilizando
2 Em computação o Multi-touch é uma tecnologia que reconhece mais de um ponto de contato com uma
superfície digital. Um dispositivo digital reconhece gestos de toque em uma plataforma, localizando, movimentando e relacionando pontos de um sistema computacional, de modo que várias pessoas podem interagir com a mesma plataforma.
o programa EnergyPlus3. Com tais recursos o arquiteto pode investigar a demanda para aquecimento e refrigeração correlacionando configurações e volumetria ao desempenho energético. Os parâmetros geométricos – altura, largura, comprimento e orientação – foram definidos através do modelo físico, enquanto as características do envoltório – transmitância e resistência dos materiais opacos e translúcidos, e coeficiente de ganho de calor – foram determinados através da interface CDP
multi-touch. A abordagem comprovou potencial utilização para indicar como o projeto
pode ser otimizado, através da utilização de um ambiente de projeto conhecido, dispensando o uso de ferramenta específica de simulação. (RITTER et al., 2014). O modelo volumétrico, proposto por Ritter (op. cit.) restringiu-se a um prisma, em que somente a altura, largura e comprimento do volume poderiam ser alterados durante a discussão entre os agentes do projeto (cliente, especialistas, engenheiros, arquitetos, entre outros).
Rose (2015), demonstrou o potencial de interfaces físicas de manipulação e interfaces digitais de simulação associadas à densidade urbana. Com peças de Lego, uma mesa de acrílico, uma câmera e um projetor, os diferentes colaboradores e profissionais envolvidos no projeto, puderam manipular a maquete física, e analisar os resultados de desempenho projetados sobre as peças de Lego, permitindo a avaliação de diferentes cenários urbanísticos. O modelo de desempenho consistiu em três métricas: consumo de energia operacional, caminhabilidade4 e disponibilidade de iluminação natural. Rose (2015) identificou que os usuários utilizaram a interface para melhorar o desempenho dos bairros modelados em relação a duas, das três métricas de desempenho oferecidas.
Em etapas iniciais do processo de projeto, quando o arquiteto ou acadêmico em arquitetura está explorando a forma arquitetônica motivado pelo conhecimento implícito, informações estruturadas são escassas. A maioria das informações e ações envolvidas em EIP são motivadas pelo conhecimento tácito, não sendo
3 EnergyPlus é um programa computacional, em código aberto, desenvolvido inicialmente com colaboração do
DOE (Departamento de Energia dos Estados Unidos), CERL (Laboratório de Pesquisa em Engenharia de Construção do Exército dos Estados Unidos), LBNL (Laboratório Nacional Lawrence Berkeley), Universidade de Illinois, Universidade do Estado de Oklahoma e Analitics GARD
4 O termo caminhabilidade, definido em inglês walkability, consiste na relação entre comportamento e meio
físico, aferindo a qualidade que uma área possui durante o ato de caminhar. A conectividade das ruas e passeios, densidade de usos, permeabilidade visual, existência de vegetação e frequência e variedade de edificações são alguns dos fatores que afetam o quão amigável é o ambiente para mensurar sua caminhabilidade.
estabelecida de maneira consciente e explícita. Dado que o conhecimento desarticulado e não verbalizado está inerente ao individuo, ou seja, as pessoas sabem mais do que elas verbalizam (POLANYI, 1966), este trabalho busca analisar o conhecimento tácito, frequentemente utilizado na exploração da forma através de modelos físicos e digitais, associados ao desempenho.
A cognição em projeto evidencia a relevância da tangibilidade de modelos físicos para compreender o espaço arquitetônico (TAGLIARI e FLORIO, 2012), motivando com rapidez as diferentes possibilidades de resolução dos problemas de projeto. A utilização de modelo físico e digital é avaliada por Salmaso e Vizioli (2013) através de experiência didática projetual, identificando vantagens e deficiências da maquete e dos meios digitais, concluindo que profissionais e estudantes continuam empregando modelos físicos em paralelo ao virtual em seus processos de projeto. No entanto, ainda há um distanciamento entre a modelagem física e digital, dificultando o diálogo entre os dois modelos de exploração e simulação da forma.
Avaliações de desempenho energético requerem uma quantidade de dados maior do que as disponíveis nas etapas iniciais de projeto bem como demandam maior quantidade de tempo do que o projetista esta disposto a dispender durante seu processo de criação. Para incorporar a avaliação estruturada em etapas iniciais como ferramenta de auxílio ao processo de aprendizagem, necessita-se:
(a) reduzir a quantidade de dados do modelo de desempenho;
(b) reduzir o tempo de simulação para gerar resultados de feedback e aproximar-se da velocidade que o processo cognitivo do arquiteto;
(c) ampliar a representação das informações estruturadas e conhecimento explícito representado pelo desempenho objetivo.
Esse trabalho propõe a formulação e teste de um protótipo de ambiente simplificado de aprendizagem (PASA) voltado para a percepção do consumo energético de edificações em estudantes de arquitetura e urbanismo. O PASA associa interfaces físicas e digitais como suporte à reflexão na ação do arquiteto, oferecendo informações estruturadas ao processo heurístico de tentativa e erro. Assim, o processo heurístico, habitualmente guiado pelo conhecimento implícito do arquiteto, seria auxiliado pelo conhecimento explícito e informações quantitativas estruturadas de desempenho.
A hipótese desta tese é a de que a utilização de um ambiente simplificado, voltado para a minimização do consumo de energia em EIP, pode aumentar:
(a) a consciência das ações projetuais de estudantes de Arquitetura e Urbanismo; (b) a capacidade de fixação de conteúdos durante processos de aprendizagem sobre o aquecimento e refrigeração de edifícios.
O PASA associou uma interface digital a uma interface física. A interface digital utilizou as ferramentas computacionais Rhinoceros, Grasshopper e
EnergyPlus, através dos plug-ins Honeybee, Ladybug e Firefly. Enquanto a interface
física associou ao modelo digital um modelo icônico de representação e elementos físicos de manipulação. O protótipo empregou um conjunto de softwares e ferramentas existentes no mercado com interface amigável e plataforma em código aberto que proporcionam a integração entre modelagem física, computacional e aferição de desempenho5.
O protótipo proposto pela tese foi constituído por dois modelos: físico e digital. O modelo físico foi composto por uma base de manipulação da geometria do envoltório e comandos físicos para o controle da porcentagem de aberturas. O modelo digital utilizou ferramentas computacionais para captar o modelo físico, avaliar o desempenho energético, representar geometricamente a proporção das fenestrações e apresentar os resultados da simulação energética visualmente, representados em gráfico e números. As manipulações concentram-se no modelo físico enquanto o modelo digital abordou a simulação e visualização dos resultados e geometria. O modelo físico utilizou uma câmera e marcadores, do tipo fiducial
markers6, para captar a posição dos elementos físicos que compõe a forma do envoltório. A manipulação dos elementos ocorreu segundo as transformações geométricas: translação e rotação, enquanto que a transformação geométrica das fenestrações ocorreu por meio de potenciômetros que controlaram a escala dos planos translúcidos das fachadas com auxílio de uma plataforma Arduino. O modelo
5 Uma vez que a tese utiliza ferramentas computacionais existentes, não ambiciona a construção de um objeto de
aprendizagem, isso porque, seria necessário considerar e avaliar aspectos como adaptabilidade, através de avaliações em ambiente de ensino, reusabilidade, através de aferições em diferente contexto de aprendizagem, entre outros aspectos que não estão contemplados neste trabalho.
6
Fiducial markers consistem em padrões de representação em ambiente físico, sendo detectados automaticamente por câmeras digitais, através da utilização de acompanhamento de detecção algorítmica. (FIALA, 2005).
físico conectou-se ao modelo digital através das ferramentas computacionais:
Rhinoceros/Grasshopper, com auxílio do plug-in Firefly e da plataforma open-source ReactVision. O modelo digital consistiu na parametrização dos elementos de
fachada e simulação do desempenho energético utilizando o software EnergyPlus e os plug-ins do Grasshopper: Ladybug e Honeybee.
O PASA buscou identificar as contribuições da metodologia como uma possível ferramenta de aprendizagem e auxílio à tomada de decisões, avaliando um grupo de alunos. O experimento modelou edificações de uso comercial e foi aplicado a 21 graduandos da Faculdade de Arquitetura da UFRGS, tendo como pré-requisito ter cursado minimamente as disciplinas do sexto semestre, incluindo a disciplina de habitabilidade das edificações. A restrição relacionada aos pré-requisitos teve como ponto de partida a ideia de que a amostra deveria possuir contato prévio com os conceitos de física aplicada a habitabilidade, como calor e termodinâmica, comportamento da luz, clima, iluminação e ventilação natural e forçada.
Os graduandos foram motivados a encontrar soluções para o envoltório que minimizassem o consumo energético mantendo critérios arquitetônicos que usualmente consideram em estágios iniciais, como: proporção, simetria, permeabilidade visual, variabilidade compositiva, salubridade, orientação solar, entre outros. Com o auxílio do PASA os graduandos foram estimulados a associar conhecimento implícito e explícito visando diminuir o tempo para elaborar soluções de projeto. O objetivo geral do trabalho consiste em avaliar se o PASA proposto tornou o projetista mais consciente de suas ações projetuais.
Ao avaliar o desempenho dos alunos ao utilizar o PASA pretende-se:
(a) analisar o grau de aprendizagem e apresentar a tendência para o grau de usabilidade do PASA;
(b) avaliar se a experiência, perfil, idade, e semestre dos graduandos, são decisivos para a resolução do problema de minimização do consumo de energia;
(c) identificar se a quantidade de soluções geradas contribuiu para a minimização do consumo de energia para aquecimento e refrigeração;
(d) quantificar as ações de projeto e sua relação com o desempenho durante o processo de exploração da forma.
A tese está organizada em 4 capítulos. O primeiro capítulo consiste na fundamentação teórica dos temas centrais abordados pela tese, com uma revisão da literatura sobre o processo de projeto e perspectivas da interação humano-computador, avaliação do desempenho e modelagem em arquitetura. O segundo capítulo apresenta os materiais e métodos, descrevendo a estrutura metodológica do PASA, ambiente caracterizado pelo modelo físico associado ao modelo digital, e o experimento de avaliação da metodologia. O terceiro capítulo descreve os dados e a análise dos resultados do experimento. O último capítulo expõe as conclusões, alcance da pesquisa e propõem aspectos que podem vir a ser tratados por trabalhos futuros.
1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
1.1 Processo de Projeto
O processo de projeto é um campo complexo do conhecimento arquitetônico, situado entre a ciência e a arte, em que não existe um método único ou exato. Por muito tempo, a pesquisa científica procurou mapear o processo de projeto, como uma sequência de atividades distintas e ordenadas para a resolução de um ou mais problemas. No entanto, a característica não linear do processo e a diversidade e complexidade dos fatores abordados pelo arquiteto, desde as fases iniciais, estabelecem problemas com vários níveis de solução, desafiando suas habilidades cognitivas.
Segundo Rittel e Webber (1973), os problemas podem ser classificados como problemas bem definidos ou mal definidos. Os problemas bem definidos ou well
defined problems, possuem um objetivo e regras claras, enquanto os problemas mal
definidos, wicked problems, não apresentam formulação clara, estando sujeitos a redefinições e resoluções distintas ao longo do tempo, em que novos problemas podem surgir. (LAWSON, 2005). Para Florio (2010), os profissionais de design lidam com aquilo que poderia vir a ser, ou seja, enfrentam problemas mal estruturados, enquanto as ciências naturais, em sua maioria, lidam com o existente, problemas estruturados e bem definidos.
Informações que definem um problema podem ser expressas verbalmente, graficamente ou numericamente, incluindo analogias, exemplos ou especificações rigorosas; sendo descritas em papel ou armazenadas na memória de um organismo vivo ou computador. (MITCHELL, 1975). Ao definir problemas de projeto, Mitchell (1975) esclarece que um problema passa a existir, quando algo é desejado e as decisões necessárias para obter-se uma solução não são imediatamente óbvias. Ou seja, os problemas surgem quando algo é desejado, mas não se tem conhecimento do caminho a percorrer para alcançar o objetivo almejado.
A simples explicação da solução sem contemplar os procedimentos adotados, dificultou a compreensão dos processos mentais adotados pelo arquiteto e
inviabilizou a análise de cada fase do projeto (JONES, 1992). Soluções de problemas arquitetônicos variam conforme a intenção do arquiteto baseado em seu conhecimento explícito e implícito (LAWSON, 2005). O conhecimento explícito é sistemático, expresso através de dados e linguagem formal (NONAKA; TAKEUCHI, 1995), enquanto o conhecimento tácito7 é implícito, modelado mentalmente e de difícil explicitação. O conhecimento implícito sobre consumo energético de edificações é evidenciado em etapas iniciais de projeto (EIP) quando o arquiteto, embora não elaborando cálculos específicos, se vale do seu conhecimento sobre física aplicada e termodinâmica aplicada ao conforto ambiental, para representar soluções de projeto. (BUENO; TURKIENICZ, 2014).
A busca por métodos de auxílio a resolução dos problemas de projeto vem sendo debatida há muito tempo. O ensaio do filósofo francês René Descartes, Le
Discours de La Méthode de 1637, propõe um método de resolução de problemas na
busca pela verdade científica. Segundo Descartes, os problemas complexos deveriam ser decompostos tanto quanto necessário, para abordar subproblemas, mais simples, que pudessem ser resolvidos e posteriormente reunidos para, então, chegar às conclusões sobre o problema inicial. (DESCARTES, 2001). A técnica computacional recursiva denominada “divide and conquer” – dividir e conquistar – consiste em uma estratégia algorítmica (CORMEN, et al., 2009) que, assim como o conceito de Descartes, busca decompor problemas complexos até a simplificação do processo de resolução do problema. Estrutura similar também pode ser identificada na linguagem de padrões de Christopher Alexander, que se baseia em unidades de informação para solucionar um problema específico de projeto. (ALEXANDER et al., 1977). A linguagem estabelece uma estrutura de conexões entre padrões, formando uma rede de informações, hierarquizada em classes.
O desenvolvimento tecnológico de distintas áreas do conhecimento, motivado pelo período pós 2ª Grande Guerra contribuiu para ampliar a discussão sobre o projeto, procurando compreender o processo através da análise e avaliação de seus métodos. Na década de 1960, com o surgimento do movimento Design Methods, cientistas de diferentes áreas passaram a discutir os procedimentos e as atividades cognitivas envolvidas no processo de projeto. (BUCHANAN, 1992). O movimento
7 O conhecimento tácito é decorrente da experiência acumulada por cada indivíduo, podendo ser descrito como
consolidou-se na conferência sediada em Londres, no ano de 1962, The Conference
on Systematic and Intuitive Methods in Engineering, Industrial Design, Architecture and Communications (CROSS, 2007), com discussões sobre métodos sistemáticos
e intuitivos em projeto de diversos campos do conhecimento. (OLIVEIRA; PINTO, 2009). A partir desse movimento, os métodos de projeto progrediram na diminuição da subjetividade do processo criativo, aplicando o conhecimento científico e a informação tecnológica para estruturar a tomada de decisões. (KOWALTOWSKI, 2011).
Outras conferências e publicações foram realizadas na sequência, com a mesma finalidade: ampliar a compreensão sobre o processo de projeto. Em The
Sciences of the Artificial publicado em 1969, Herbert Simon tratou dos problemas
relativos aos artefatos, propondo a criação de novas ciências a partir da exploração da capacidade cognitiva humana (SIMON, 1996), de modo que ao projeto interessasse não apenas o que foi concebido, mas como foi isso realizado. Em 1960, o processo de projeto foi descrito por Lawson (2005) como um processo linear e cíclico, composto basicamente pela análise, síntese e avaliação (Figura 2).
Figura 2 Estrutura do processo de projeto descrito por Lawson.
A estruturação do problema corresponderia à análise, a geração de soluções enquadra-se na síntese do processo e a análise das soluções corresponde a avaliação. Dentre as constatações de Lawson (2005), destaca-se a relação entre problema e solução, tratada como um sistema de retroalimentação em que todo problema pode ser reformulado e toda solução indefinidamente incrementada. Afirmou ainda que não há soluções projetuais únicas ou corretas, tendo em vista que um dado problema pode oferecer algumas soluções mais aptas do que outras.
Mitchell (1975) descreveu o processo de projeto em arquitetura como um procedimento operativo, orientado por metas que conduzem a solução dos problemas. A falta de informações e a carência de um objetivo claro (juntamente com a complexidade inerente ao problema de design) faz com que o projeto arquitetônico tenha que ser resolvido de maneira não linear, tendo diferentes ciclos. (FLORIO, 2010). Para Florio (2010, p. 376):
Como os limites do problema não estão claros, os arquitetos não podem adotar sua formulação definitiva, nem tampouco estabelecer regras fixas, pois há uma lista exaustiva de possibilidades para resolvê-lo. Consequentemente, projetos acabam sendo realizados a partir de conhecimentos prévios, por experimentação, tentativa e erro e descobertas inesperadas.
Embora amplamente discutidos, os métodos empregados durante o processo de ensino de projeto, ainda são predominantemente tradicionais, em que os alunos desenvolvem o projeto sob orientação de um instrutor experiente, arquiteto. (PUPO, et al. 2007). Schön (1987), propôs que a ação prática é geradora de conhecimento. Em Educating the Reflective Practioner descreve um debate entre estudante e professor, denominado reflexão-na-ação. Através do pensar e do fazer, de acordo com Schön, os artefatos são produzidos a fim de representar e testar ideias, direcionadas a resolução do problema. Pautado pela ação reflexiva, o processo de projeto é definido como um tipo de construção, em situações de singularidade, incerteza e conflito, em que a solução instrumental do problema é secundária.
Para Schön (2000, p.43):
O processo de design, em sentido mais amplo, envolve complexidade e síntese. Ao contrário dos analistas ou dos críticos, os designers juntam coisas e fazem com que outras coisas venham a existir, lidando, no processo, com muitas variáveis e limites, algumas conhecidas desde o início e outras descobertas durante o processo de projeto.
A complexidade inerente aos problemas de projeto é exemplificada por Lawson (2005) ao descrever a dificuldade em integrar todos os requisitos de uma janela (Figura 3). A abertura é um componente multidimensional do envoltório, pois assim como necessita promover a entrada de luz solar e a ventilação natural, também requer o cuidado com a privacidade, aquecimento, perda de calor, transmissão de ruídos, implicando até mesmo nas características estruturais da edificação. Exemplificando as questões envolvidas na concepção das janela de uma edificação, Lawson demonstra a complexidade que o estudante de arquitetura e até mesmo o arquiteto enfrenta durante o processo projetual.
Dentre múltiplas habilidades cognitivas e motoras que o projeto arquitetônico requer, habilidades como a capacidade de análise e síntese de informações, criatividade, raciocínio lógico, conhecimento, e capacidade de comunicação, destacam-se. A análise e síntese estão relacionadas ao processo de ordenar, classificar e hierarquizar informações, formulando um problema de projeto. A criatividade e raciocínio lógico consistem na capacidade de oferecer soluções espaciais, técnicas, funcionais, entre outras. O conhecimento expressa as experiências e formações anteriores e intercede a criação e desenvolvimento de soluções, enquanto a comunicação implica na representação das soluções desenvolvidas. (KOWALTOWSKI, 2011). Tais habilidades são dependentes uma das outras, resultando em inter-relações de um processo de projeto representado por ciclos e reprodução de procedimentos.
Figura 3 Conjunto de questões abordadas na concepção das aberturas.
Fonte: Lawson (2005, p.59)
A sequência de ações do projetista, que resultam em transformações da representação do projeto, promovem os avanços projetuais. (OXMAN, 1997). Para Kowaltowski (2011), o processo de criação envolve o acúmulo de informações e experiências, a formulação de hipóteses, verificação de ideias, dentre outras propriedades, que definem a complexidade da ação projetual. O processo criativo
não possui uma definição rígida ou universal para a resolução satisfatória de problemas de projeto, visto que a criatividade é uma habilidade que necessita ser praticada e cultivada continuamente. (MARÚ; FURTADO in KNEIB, 2013). Na prática o processo de criação do arquiteto, no qual o projeto arquitetônico insere-se, é conduzido por práticas intuitivas, de forma consciente, guiado pelo raciocínio, memória, evolução de ideias, criatividade e experiências (KOWALTOWSKI, 2011), como um ato reflexivo durante a ação. O projeto arquitetônico enquadra-se na família de processos de decisão (KOWALTOWSKI et al., 2006), podendo utilizar a descrição verbal, gráfica ou simbólica para antecipar analiticamente um modelo e seu comportamento.
No decorrer da atividade acadêmica e profissional, o arquiteto acumula experiências e conhecimentos em sua memória, através de representações internas – manifestadas em ações cognitivas durante a ação projetual – e representações externas – como croquis, desenhos, modelos físicos e digitais. Tais representações permitem a materialização de suas ideias, auxiliando na avaliação e comparação de diferentes soluções. (FLORIO; SEGALL; ARAÚJO, 2007). As representações internas e externas assumem papel ativo no processo de projeto, colaborando na tomada de decisões, ao tornar explícito, o que está implícito na mente do arquiteto. As representações externas, manifestadas através de desenhos a mão livre e modelos físicos executados pelo arquiteto, demonstram distintas contribuições ao longo da história da arquitetura.
1.1.1 Projeto Auxiliado por Modelos Físicos
O domínio das formas que envolvem o projeto é fato fundamental para a compreensão do espaço arquitetônico e natureza do processo de projeto. Ao explorar ideias por meio de desenhos, diagramas, modelos físicos e modelos digitais, o projetista avança em direção às possíveis soluções de projeto. Tagliari e Florio (2017) afirmam que os modelos físicos são mais concretos e tangíveis do que os desenhos, facilitando a compreensão dos elementos arquitetônicos no espaço e contribuindo para sua apreensão imediata, proveniente tanto pela visão, quanto pelo
tato. “Os conhecimentos, experiências e habilidades decorrentes da intensa manipulação de artefatos físicos conduzem o estudante a entender a natureza do espaço proposto e sua materialidade” (TAGLIARI; FLORIO, 2017), expressando o que Donald Schön denominou como reflexão-na-ação.
Os modelos físicos, também denominados pelos arquitetos e urbanistas como maquetes, têm papel fundamental no processo de projeto. (KOWALTOWSKI, et al., 2006). Para Fujioka (2005), a maquete permite que os elementos que constituem o espaço arquitetônico sejam compreendidos, auxiliando no entendimento de aspectos estruturais, iluminação, ventilação, entre outros. Modelos físicos já eram considerados, em passado remoto, referência na representação e concepção em arquitetura, como demonstrado por Felippo Brunelleschi e por Leon Battista Alberti. Alberti defendia o uso de maquetes de estudo, como uma ferramenta de projeto, promovendo a compreensão das relações espaciais e a simplicidade das partes da obra. (SALMASO; VIZIOLI, 2013). Gaudí também utilizou modelos reduzidos para explorar a forma e linguagem arquitetônica, assim como, utilizou esse método para testar soluções estruturais de sua obra (MILLS, 2007).
Além de uma ferramenta de apresentação, a maquete é um elemento de investigação e pesquisa, podendo auxiliar o meio acadêmico a exercitar fundamentos como a geometria, proporção, escala e modulação. (ARAÚJO, 2007). O modelo físico pode ser produzido em escala real ou reduzido, dependendo o objeto que está em questão e o grau de detalhamento desejado em relação à fase projetual. A contribuição que modelos físicos exercem sobre o processo de projeto, atuando como ferramenta de manipulação, representação e exploração da criatividade, é evidenciado por Lennings et al. (2000), Broek, Sleijiffers e Horváth (2000), Scali, Shillito e Wright (2002), Oehlberg, Lau e Agogino (2009), entre outros.
Além de uma ferramenta de exploração e representação, a maquete é importante na comunicação de ideias durante o processo e os profissionais envolvidos, ampliando a percepção espacial dos usuários e alimentando discussões. (KOWALTOWSKI, et al., 2006). Ao avaliar a contribuição que modelos físicos podem exercer durante o processo de criação e aprendizagem, Vieira et al. (2011) destaca suas potencialidades e restrições. Vieira et al. (2011) analisou a utilização de maquetes físicas como ferramenta de aprendizagem ao realizar projeções e perspectivas nas disciplinas de desenho técnico e expressão gráfica, concluindo que
a maquete contribuiu para que 95% dos estudantes melhorassem a representação das vistas ortogonais e construção das perspectivas propostas em aula.
Kowaltowski et al. (2006) afirma a importância da maquete na concepção do projeto, como representação fiel do objeto em relação ao desenho, tendo em vista que a terceira dimensão é real e o objeto de estudo pode ser contemplado de diversos ângulos. A utilização de modelos físicos para a exploração da forma ainda é utilizada na fase de concepção por escolas de arquitetura e profissionais, como o arquiteto Frank O. Gehry e designers automobilísticos, que trabalham extensivamente com modelos em escala reduzida, mesmo tendo acesso a ferramentas de modelagem digital de superfícies curvas complexas. (ISHII, et al., 2004). Para diversos estudantes e arquitetos, como Frank O. Gehry, a tangibilidade de modelos físicos durante o processo criativo é preferível, ao invés de manipular digitalmente a geometria. (KOLAREVIC, 2003).
Para Salmaso e Vizioli (2013), a maquete pode diminuir a distância entre o arquiteto e o objeto que está sendo projetado, quando este estabelecer uma interface digital. A importância das ferramentas digitais é colocada em evidência, porém, sem desprezar a utilidade de modelos físicos como instrumento de projeto, como demonstra a experiência de escritórios de arquitetura como o de Marcos de Azevedo Acayaba, Andrade Morettin Arquitetos, Morphosis, Eisenman, Norman Foster and Partners, Gehry Partners, Richard Meier and Partners e experiências pedagógicas em Faculdades de Arquitetura como a FAU/USP (SALMASO; VIZIOLI, 2013). Designers automobilísticos trabalham extensivamente com modelos em escala reduzida, mesmo tendo acesso a ferramentas de modelagem digital de superfícies curvas complexas. (ISHII, et al., 2004).
A revisão da literatura evidencia a relevância da tangibilidade de modelos físicos para compreender o espaço arquitetônico (TAGLIARI; FLORIO, 2012), e motiva a associação de interfaces digitais como um meio de aproximar a simulação da forma. O avanço de tecnologias computacionais em um primeiro momento distanciou a prática arquitetônica dos modelos físicos. Mas com o aperfeiçoamento de tecnologias digitais, como a prototipagem rápida, fabricação digital e softwares amigáveis, o projeto auxiliado por computador passou a colaborar com a utilização de modelos físicos. O uso de modelos físicos em estágios iniciais de projeto pode auxiliar arquitetos e designers a visualizar e resolver problemas complexos. (ISA,
2014). Em contraponto, modelos digitais oferecem avaliações e representações que sem o auxílio de ambientes computacionais tornariam o processo de projeto demorado e oneroso.
1.1.2 Projeto Auxiliado por Computador
O computador oferece a possibilidade de comunicar, selecionar e compartilhar informações. (OXMAN, 1997). A introdução de ferramentas computacionais passou a influenciar a prática de projeto, coincidindo com a discussão dos métodos projetuais e tentativas de racionalização do processo projetual. Em 1960, com o movimento dos métodos de projeto e investigações sobre o processo projetual, o computador passou a ser incorporado no trabalho do arquiteto (CELANI in MITCHELL, 2008), buscando torná-lo eficiente e racional.
Desde os métodos de projeto desenvolvidos nas décadas de 1960 e 1970, ferramentas computacionais vêm contribuindo para aprimorar o processo de projeto de arquitetos, designers e urbanistas, através da modelagem, simulação e prototipagem. No entanto, a maioria dos profissionais ainda limita-se ao uso do computador como ferramenta de representação; não explorando as capacidades generativas e analíticas dos recursos computacionais.
O projeto auxiliado por computador foi descrito por Mitchell (1975), no artigo “The theoretical foundation of computer-aided architectural design” como uma área da ciência que busca definir problemas, representar as possíveis soluções, como podem ser geradas e avaliadas com o auxílio do computador. O uso do computador está relacionado à assistência que as ferramentas digitais podem oferecer para representação, simulação, geração, organização de dados, experimentação e exploração desses ambientes. (TIERNEY, 2007).
Os primeiros programas computacionais de auxílio ao projeto possuíam abordagens não associativas, de modo que a modificação de um componente do modelo não cumpria nenhum impacto sobre o resto da geometria. (PAPANIKOLAOU, in KARA; GEORGOULIAS, 2012). Buscando evitar a necessidade de ajustar manualmente a geometria e visando um processo mais
rápido, os programas computacionais recentemente transformaram o processo projetual em uma definição funcional do processo, que pode então gerar as formas. Desta maneira, os softwares vêm deixando de exercer a mera função de representação geométrica de formas não associadas, para cumprir o processo de geração de formas e sistematização do processo. Para Papanikolaou (in KARA; GEORGOULIAS 2012):
This shift from representation of forms to description of processes is a fundamental concept in modern computational design practice, as computer programs now follow the design instructions and remodel the resulting geometry for different input parameters.8
A palavra em inglês computation refere-se ao processamento de informações, “desde a realização de operações elementares até o estudo do raciocínio humano”. (CELANI, et al., 2006). A evolução do design digital como um campo único, motivada pelo próprio corpo de fontes teóricas e apoiado pelas novas tecnologias vem desenvolvendo-se rapidamente. As produções literárias, conferências, concursos, exposições e obras da década de 1990 serviram como catalisadores para a formulação do discurso teórico do digital design. (OXMAN, 2006).
A aplicação de procedimentos na solução de problemas de projeto, envolvendo raciocínio, cognição, algoritmos e linguagem computacional coloca o arquiteto na condição de modelar e criar métodos que atendam suas necessidades, ao invés de estabelecer que o arquiteto é apenas um usuário das ferramentas digitais. Para Terzidis (2009) computação consiste na aplicação de procedimentos lógicos e matemáticos na solução de problemas de projeto, envolvendo raciocínio, cognição e algoritmos. O uso de tecnologias de desenho assistido por computador abriram novas possibilidades de desenho que vem alterando a expressão da arquitetura e do design. (SCHODEK, et al.,2005).
Mitchell (2008) compara a crítica e raciocínio como a resultante de um banco de dados, composto por fatos e regras do mundo projetual. O entendimento do processo projetual como um sistema operativo de solução de problemas na
8
Essa mudança da representação de formas para descrição de processos é um conceito fundamental na prática do desenho computacional contemporâneo, pois os programas computacionais seguem as instruções de projeto e remodelam a geometria resultante para diferentes parâmetros de entrada.
